打破鋰電池固態(tài)電解質(zhì)的瓶頸 中國科大提出原子級解決方案

當(dāng)前主流鋰電池使用液態(tài)電解質(zhì)，這存在起火等安全隱患，且特定體積內(nèi)能夠儲存的能量有限。但能解決這些問題的下一代固態(tài)鋰電池仍存在很多尚未攻克的難題。8月21日，頂級學(xué)術(shù)期刊《Matter》刊登中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬騁教授和他的合作者最新成果，他們提出來一種新策略，可以有效解決下一代固態(tài)鋰電池中電極材料和固態(tài)電解質(zhì)接觸差這一關(guān)鍵問題，合成出的固態(tài)復(fù)合物電極展現(xiàn)出優(yōu)異的容量和倍率性能。

用固態(tài)電解質(zhì)替換傳統(tǒng)鋰離子電池中的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)可以極大緩解安全問題，且有望突破能量密度的“玻璃天花板”。然而，主流電極材料也是固態(tài)物質(zhì)。由于兩種固態(tài)物質(zhì)之間的接觸幾乎不可能像固-液接觸那樣充分，目前使用固態(tài)電解質(zhì)的電池難以實(shí)現(xiàn)良好的電極-電解質(zhì)接觸，電池整體性能也并不令人滿意。

“固態(tài)電池的電極-電解質(zhì)接觸問題就像木桶的短板。”馬騁教授說，“近年來研究者們已經(jīng)研發(fā)出多種性能優(yōu)異的電極和固態(tài)電解質(zhì)，但因?yàn)閮烧唛g難以實(shí)現(xiàn)良好的接觸，鋰離子的傳輸效率受到很大限制。”

馬騁團(tuán)隊(duì)及其合作者的方法有望解決這個難題。通過對一種經(jīng)典鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)中的雜質(zhì)相進(jìn)行原子級觀測，雖然雜質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)迥異，研究者卻觀察到他們的原子在界面處能以相互外延的形式排布。經(jīng)過一系列細(xì)致的結(jié)構(gòu)和化學(xué)分析，研究者發(fā)現(xiàn)這一雜質(zhì)相和高容量的富鋰層狀物電極結(jié)構(gòu)相同。換言之，上述經(jīng)典固態(tài)電解質(zhì)能夠以一種高性能正極的原子結(jié)構(gòu)為模板進(jìn)行結(jié)晶，從而在原子尺度形成緊密的界面。

相比于通常使用的冷壓方法，新方案可以在原子尺度實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)和電極的充分、緊密接觸。圖中原子分辨率的電子顯微鏡照片直接證實(shí)了這一緊密接觸。“這是個驚喜。”文章的第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的碩士研究生李富振說道，“在材料中存在缺陷本來是一個很平常的現(xiàn)象，平常到了大部分時候會被人忽略的程度。但是，在對它們進(jìn)行了細(xì)致觀測以后，我們發(fā)現(xiàn)了意料之外的外延行為，正是這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了我們用于改進(jìn)固-固接觸的策略。”

利用觀察結(jié)果，研究者將成分和鈣鈦礦固態(tài)電解質(zhì)相同的非晶粉末在富鋰層狀物顆粒的表面做成結(jié)晶，成功地在新復(fù)合物電極中實(shí)現(xiàn)兩種固態(tài)材料間充分、緊密的接觸。解決了電極-電解質(zhì)接觸問題，這種固-固復(fù)合物電極的倍率性能可以和和固-液復(fù)合物電極相媲美。更重要的是，研究者們還發(fā)現(xiàn)這種外延的固-固接觸可以容忍很大的晶格錯配，因此他們提出的策略可適用于多種鈣鈦礦固態(tài)電解質(zhì)和層狀電極。

“這項(xiàng)工作指明了一個值得探索的新方向。”馬騁教授說，“將這種原理應(yīng)用到其他重要材料中也許能開發(fā)出更好的電池性能，引出更有意思的科學(xué)問題。我們對此相當(dāng)期待。”研究團(tuán)隊(duì)將沿著這個方向繼續(xù)探索，并將他們提出的策略應(yīng)用到其他高容量、高電位的正極中。合作團(tuán)隊(duì)包括清華大學(xué)的南策文院士團(tuán)隊(duì)和美國AmesLaboratory的LinZhou博士等。《Matter》是Cell出版集團(tuán)下新推出的旗艦學(xué)術(shù)期刊。